Manapság erre a feladatra a passzív infra (PIR-) technológia terjedt el a legjobban, ami tökéletesen alkalmas az emberi test nagy amplitúdójú mozgásának érzékelésére, azonban nem képes például irodában ülő és nyugalomban dolgozó vagy otthon tévéző ember érzékelésére, illetve nehézkes vele a közeledés és a távolodás, azaz a mozgás irányának érzékelése is.

A radarszenzor technológia alkalmas a PIR-technológia említett hiányosságai egy részének kiküszöbölésére, mint például kis mozgások, illetve a közeledés és a távolodás szétválasztása is. Ezek az érzékelők már korántsem elérhetetlen árúak, és így kiválóan alkalmazhatók a PIR-technológia hiányosságainak áthidalására.

Azonban nem adnak megfelelő megoldást a teljesen nyugalomban lévő személyek jelenlétének érzékelésére, irányérzékelésük is elsősorban mélységi (közeledés/távolodás), és mivel több személy elkülönült detektálása sem megoldott, nem kivitelezhető például a helyiségbe be- és kilépő emberek számlálása sem.

A Panasonic fejlesztette GridEye szenzor viszont már mindezeknek a fenti céloknak maradéktalanul megfelel. A termoelemek mátrixos elhelyezésével az érzékelt objektum hőtérképét veszi fel, aminek kiértékelésével egy sokkal részletesebb információ nyerhető a mozgásról, mint akár a különálló termoelem vagy a fent említett technológiák valamelyikének használatával. De lássuk részletesen a továbbiakban!

PIR-szenzorok

A passzív infravörös szenzor (PIR) valójában a mozgó emberi test által kibocsátott hőnek a környezet hőmérsékletére való hatását érzékeli. Ez a sugárzás az infravörös tartományba esik, melyet a PIR-szenzor piroelektromos anyaga érzékel. Mivel a hőmérséklet-változásnak a kielégítő érzékeléséhez kellően gyorsnak kell lenni, csak mozgó (infra tartományban sugárzó) objektumot lehet ezzel szenzortípussal detektálni.

Ami a detektor felépítését illeti, általában két vagy négy érzékelő elemet tartalmaz a környezeti hőmérséklet változásának kiküszöbölésére, valamint drága Fresnel lencsét a sugárzás fókuszálására. A PIR-technológia további hátránya, hogy csak tangenciális mozgás érzékelésére használható biztonságosan. Előnye az olcsóság és az érzéketlenség a környezetben mozgó zavaró objektumokra.

Radarszenzorok

A radarszenzorok az emberi test kis mozgásaira is érzékenyek, és intelligens rendszerek érzékelőiként ki tudják küszöbölni a passzív infra technológia korábban ismertetett hiányosságait. Azonban ahhoz, hogy érdemes legyen PIR-szenzort kiváltani mikrohullámú eszközzel, annak olcsónak, kompaktnak, kis méretűnek és alacsony fogyasztásúnak kell lennie.

Korábban a radarrendszerek meglehetősen drága és nagy méretű alkotóelemekből, például nehéz hullámvezetőkből és drága Gunn-diódákból épültek fel, ami nehézkessé – esetenként lehetetlenné – tette a technológia hétköznapi használatát. Ma a planár technológia elterjedésével robusztus, költséghatékony és kis méretű szenzorok készíthetők.

A radarsugárzás a szilárd tárgyakról visszaverődik, és ez a reflexió adja az érzékelés lehetőségét. A radar vevőmodul által detektált visszavert sugárzás nagysága nemcsak a tárgy távolságától, hanem annak anyagától és méretétől is függ. A fémfelületek általában nagyon jó radarcéltárgyak, de az emberi test is tökéletesen detektálható a magas ε_r-érték miatt, melyet a jelen lévő nagy mennyiségű víz okoz. Emiatt az emberi test a legkisebb kapható modulokkal is már kb. 10 méterről jól érzékelhető.

A műanyagok nagy része a radarsugarak számára láthatatlan, ezért kiválóan burkolhatók velük a modulok a környezet káros hatásai ellen való védekezés során, míg például a PIR-modulok esetén Fresnel lencsék és kültéri házak használatára van szükség.

A radarszenzorok működési alapelve a Doppler-effektus, melynek segítségével bizonyos távolságra lévő tárgyak sebessége mérhető. A radar által kibocsátott elektromágneses hullám a mozgó tárgyról visszaverődve eltérő frekvenciával érkezik a vevőre, ennek a különbségnek a detektálásával a tárgy radarhoz képesti radiális sebességkomponensének direkt és nagy pontosságú mérésére van lehetőség.

A Doppler-effektus lényege a kibocsátott és a mozgó tárgyról visszaverődő detektált hullám frekvenciájának különbsége, mely jellemző a mozgó tárgy sebességére. A kibocsátott és a visszaverődő (érzékelt) frekvencia különbsége a megfigyelő és a kibocsátó egymáshoz képesti sebességével arányos.

A Doppler radar tehát objektumok mozgásának detektálására és azok sebességének mérésére használható. Bár a radarszenzorokkal – a PIR-szenzorokkal ellentétben – relatív kis mozgás is érzékelhető, a nyugalomban lévő tárgyak érzékelése terén nem a legjobb megoldást választjuk, ha ilyen szenzort alkalmazunk.

Gondoljunk például szállodai fürdőszobák, nyilvános illemhelyek megvilágításának „jelenlét”-érzékelős kapcsolására, ahol sem a PIR-, sem a radarszenzor nem lesz alkalmazható. Továbbá adott területre belépő, illetve onnan távozó személyek érzékelésével operáló számlálási feladatok sem kivitelezhetők, mert ezek a szenzorok nem képesek detektálni a mozgó objektumok számát, csak a jelenlétüket.

GridEye termoszenzor

A Panasonic új GridEye eszköze tulajdonképpen egy 8×8-as hőelemmátrix, azaz 64 különálló szenzorral képes abszolút hőmérsékletet detektálni az objektum által kibocsátott infravörös sugárzás érzékelésével. A GridEye képes a hőmérséklet és a hőmérsékleti gradiens észlelésére és egyszerű, kis felbontású (64 pixeles) hőkép felvételére is.

Könnyedén felismerhető több személy egyidejű jelenléte, mozgásuk iránya, pozíciójuk, amellett, hogy a hőfénykép nem alkalmas a személy azonosítására, tehát a személyiségi jogok sem sérülnek. Költséghatékony, kompakt alkalmazások készíthetők vele pontos érintésmentes hőmérsékletmérés útján a teljes lefedni kívánt területre. A beépített szilíciumlencse 60°-os látószöget biztosít, és a mérési eredmények I²C interfészen keresztül 1 vagy 10 fps sebességgel olvashatók ki.

A kimeneti interrupt jel alkalmas olyan kritikus beavatkozások indítására, melyeket késlekedés nélkül végre kell hajtani érzékeléskor, ezáltal nagy szabadságot ad a rendszerek tervezőinek. A különálló termoelemektől és piroszenzoroktól eltérően a mátrixos elrendezés lehetővé teszi az alakfelismerésen alapuló érzékelést, az SMD-kivitel pedig a késztermék elektronikájának korszerű gyárthatóságát biztosítja.

A fenti táblázatban, összehasonlítva a más technológián alapuló mozgásérzékelőkkel, a GridEye előnyei jól értelmezhetőek. Az emberalak érzékelése érintkezésmentes hőmérsékletmérés útján történik. Az eltérő színű pixelek különböző hőmérsékletet jelentenek. Az egyes termoelemek a tér felosztott részeinek hőmérsékletét mérik, ezáltal feltérképezhető a megfigyelt területen fellelhető összes hőforrás és az általuk sugárzott hő eloszlása. Az adatok a mikroprocesszor által az I²C interfészen keresztül pixelenként kiolvashatók és kiértékelhetők.

A detektálási távolság növelésével az objektum képének mérete összemérhetővé válik a szenzor elem kiterjedésével, ez kihasználható például több objektum egyszerre történő megfigyelésére, követésére, esetleg megszámlálására. Adott területen mozgó vagy álló objektum hőtérképe a szenzor kiolvasásával előállítható.

Közeli érzékeléskor az objektum vagy személy hotspotjai kiemelhetők. Amennyiben távolabbi detektálást választunk, akár több objektum egyidejű megfigyelésére is lehetőség van, illetve a mintázat változásának követésével a haladás iránya is monitorozható. Közeli érzékeléskor a szenzor felhasználható például gesztusvezérlésre, ilyen lehet például az autóban egyes funkciók kézmozdulattal történő aktiválása.

A végtermékfejlesztés megkönnyítésére és a gyors piacra kerülés biztosítása érdekében a GridEye szenzorokhoz kapható egy kiértékelő kit is. Ez a panel a szenzoron kívül kommunikációs interfészt is tartalmaz, mellyel USB porton keresztül számítógéphez, a beépített PAN1470 Bluetooth Smart modulon keresztül pedig akár okostelefonhoz is kapcsolható ez az Arduino-kompatibilis, ATMEL mikroprocesszorral működő áramköri kártya.

A letölthető kiértékelő szoftver segítségével gyors prototípus-fejlesztés valósítható meg. Akár önállóan, a fent említett kommunikációs protokollokat nem használva, akár egy Arduino miniszámítógép kiegészítőjeként üzemeltetve ez a panel nagyban segíti a fejlesztést.